架空输电线微风振动强化换热特性研究

发布时间：2020-03-20 19:40

【摘要】：本课题受国家自然科学基金项目《热力耦合场中高压架空输电线微风振动效应与疲劳寿命评估》(批准号:51578512)的资助。高压架空输电是我国电力供应的主要模式。随着我国经济的快速发展,用电需求日益激增,用电高峰期电网输送能力的瓶颈问题日益突出。在保证电网安全运行的前提下,对既有高压输电线路进行扩容改造,适当提高现行规范规定的高压输电导线运行温度,可以增大电力系统稳定载流量,从而提高并充分挖掘输电线路输送潜力,降低因新建高压输电线路而带来的各种投资成本和社会成本,这对我国经济和社会的可持续发展具有重要意义。在高压架空输电线的正常运行工作中,载流引起的焦耳热是输电线温升的重要因素,因此,在输电线与外环境之间实现高效快速的热交换,是保证线路高载流量和稳定输送能力的重要保证。在目前技术条件下,输电线与外环境之间热交换的主要途径是导线与外环境温差引起的对流散热(包括自然对流和强制对流)。在强制对流散热模式下,来流风同时还会引起输电线的振动,其中,微风振动发生的概率最大,持续的时间最长。在以往的研究中,围绕输电线风致振动问题的研究一直是个热点,但是研究重心大都集中在输电线受力性能的角度上,对于风致振动影响输电线对流散热性能的研究则相对不足。事实上,从传热学和电工学的角度来看,长时间适度的风致振动(如微风振动)对输电线对流散热有较好的加强作用,因而可以提高线路的稳定载流量。因此,从保证线路动态增容最大载流量,满足高峰期用电需求功能的角度出发,深入研究高压架空输电线微风振动强化换热特性,具有重要的理论意义和研究价值,同时也可以为高压输电线路的日常管理维护提供技术支持。本文基于计算流体力学和结构动力学的方法,对输电单导线固定绕流特性以及换热特性进行了研究,采用Fluent动网格技术以及结构动力学方法建立了流固耦合的数学模型,并将计算结果与文献结果进行对比,验证了本文流固耦合方法的正确性。在上述工作的基础上,采用流固耦合方法针对单导线和双分裂导线在不同工况下的气动力特性、绕流特性、振幅响应以及换热特性进行了研究。研究的具体内容及结论如下:第一,首先利用流体力学软件Fluent研究了固定单导线气动特性及微风振动时的换热特性,在考虑恒热流以及恒壁温两种边界条件的基础上,对模拟结果与文献实验关联式进行了对比,验证了模拟结果的准确性,拟合了符合实际导线运行环境下努塞尔数随雷诺数变化的公式。第二,采用Fluent动网格技术以及结构动力学方法针对雷诺数Re=200的单圆柱涡激振动进行了数值模拟,并与文献结果对比,验证了本文模拟方法的正确性,在此基础上分析了单圆柱振动强化换热效应,得到了振幅响应、锁定区间对强化换热的影响规律。最后,结合实际输电线路运行工况,调整风速进行单导线微风振动强化换热效应的研究,分析了结构参数、雷诺数等对换热效果的影响。第三,考虑到实际高压架空输电线多采用多分裂导线的形式,本文以双分裂导线为例,分析了导线不同布置方式、子导线间距比等参数对双分裂导线气动特性以及换热效果的影响。
【学位授予单位】：郑州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM75

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